宿主遗传学解释了单个微生物类群丰度变异的9%–39%，其中核心类群受宿主遗传变异的影响更大。

Genetic Dissection of the Eggplant Rhizosphere Microbiome Enables Microbiome-Assisted Breeding

摘要

（1）Rhizosphere microbiome critically influences plant growth and health, yet the genetic mechanisms underlying host regulation of microbiome composition remain unclear.根际微生物组对植物生长和健康具有至关重要的影响，然而宿主调控微生物组组成的遗传机制仍不清楚。

（2）Here, we analyzed whole-genome genotype and 16S rhizosphere microbiome data from 432 globally sourced eggplant accessions (Solanum melongena L.).在此，我们分析了来自全球432份茄子种质的全基因组基因型数据及16S根际微生物组数据。

（3）Eggplant population structure corresponded to geographic origins, with rhizosphere microbiomes varying significantly among subpopulations.茄子群体结构与其地理起源相对应，不同亚群间的根际微生物组存在显著差异。

（4）Host genetics explains 9%–39% of the variation in individual microbial taxa abundance, with core taxa more affected by host genetic variation.宿主遗传学解释了单个微生物类群丰度变异的9%–39%，其中核心类群受宿主遗传变异的影响更大。

（5）mGWAS identified 1,235 significant genetic variants associated with 46 core microbial taxa, revealing key regulatory loci including chr10:7799021 near MYB113 (associated with Stenotrophomonas, P = 2.16 × 10–15) and chr10:19786889 near BLH9 (associated with Mycobacterium, P = 1.24 × 10–12), as well as a chromosome 5 locus with specific regulatory effects on Rhizobiales.微生物组全基因组关联分析鉴定出1,235个与46个核心微生物类群相关的显著遗传变异，揭示了关键的调控位点，包括MYB113基因附近的chr10:7799021（与寡养单胞菌属相关，P = 2.16 × 10⁻¹⁵）和BLH9基因附近的chr10:19786889（与分枝杆菌属相关，P = 1.24 × 10⁻¹²），以及一个对根瘤菌目具有特异性调控作用的5号染色体位点。

（6）These microbiome-associated genetic variants were enriched in secondary metabolic pathways, including anthocyanin biosynthesis, benzoxazinoid biosynthesis, and brassinosteroid biosynthesis, indicating that hosts regulate microbial communities through complex metabolic networks.这些与微生物组相关的遗传变异富集在次生代谢通路中，包括花青素生物合成、苯并噁唑啉酮生物合成和油菜素内酯生物合成，表明宿主通过复杂的代谢网络调控微生物群落。

（7）Notably, genetic loci controlling microbial community structure underwent strong directional selection across eggplant subpopulations from different geographic origins, providing evidence for host-microbe co-adaptive evolution.值得注意的是，控制微生物群落结构的遗传位点在不同地理起源的茄子亚群中经历了强烈的定向选择，这为宿主-微生物共适应进化提供了证据。

（8）This study elucidates genetic regulatory patterns of eggplant rhizosphere microbiomes, enriching the theoretical framework of plant-microbe co-evolution, with broad implications for microbiome-assisted crop improvement and sustainable agriculture.本研究阐明了茄子根际微生物组的遗传调控模式，丰富了植物-微生物共进化的理论框架，对微生物组辅助的作物改良和可持续农业具有广泛意义。

（9）Result

（10）Genomic variation in domesticated eggplant accessions驯化茄子种质中的基因组变异

这张图（Figure 1）展示了432份茄子种质的地理来源和群体结构，是理解后续宿主遗传与微生物组关联分析的基础。它由三个子图组成：图 a：全球地理分布，这是一张世界地图，用不同颜色的圆点标记了432份茄子种质的采集或来源地。

图 b：系统发育树与群体结构（K=2,3,4）这是三个并排的堆叠柱状图，展示了当假设祖先群体数量（K值）分别为2、3、4时，每份种质的遗传组成。上方：系统发育树，树枝颜色对应图a的地理分组（红=东南亚，绿=欧洲，蓝=华南，黄=北亚）。下方：群体结构图，每种颜色代表一个“遗传成分”，每根竖条代表一份种质，条中不同颜色的比例表示该种质基因组中来自不同祖先成分的比例。

图 c：主成分分析（PCA）这是一张散点图，每个点代表一份茄子种质，点的颜色对应其地理分组

（11）Rhizosphere microbiome composition across different subpopulations不同亚群间根际微生物组组成

茄子根际核心微生物组的定义、组成及其在群落中的主导地位。

图 a：根际微生物的门水平组成，结论：茄子根际微生物以变形菌门、放线菌门、绿弯菌门和酸杆菌门为主，这四门共占约83%。

图 b：PCoA分析（基于微生物群落）这是一张主坐标分析散点图，每个点代表一份茄子种质的根际微生物群落，点的颜色对应四个亚群：这与Figure 1中四个亚群遗传差异的模式一致，初步暗示宿主遗传影响根际微生物组。

图 c：核心OTU的定义（韦恩图）这张图展示了如何定义“核心微生物组”——采用两种方法取并集：

方法 定义 数量

普适性OTU 在100% 样本中都出现的OTU 307个

关键OTU 通过共现网络拓扑分析（Zi-Pi）识别出的、对网络稳定性重要的OTU 17个

取并集 两种方法的合并，315个核心OTU

理由：普适性方法可能遗漏丰度低但功能重要的类群，因此加入网络关键节点，使核心微生物组的定义更全面。

图 d：核心OTU的数量占比 vs 丰度占比（饼图）核心信息：核心OTU虽然只占OTU总数的6.19%，却贡献了总微生物丰度的49.91%（接近一半），说明核心微生物是根际微生物群落中数量和功能上的主导者。

图 e：核心微生物的门水平组成，这是一张环形图/堆叠图，展示了315个核心OTU的门水平分布：核心微生物组仍以Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi为主。特别值得注意的是，Actinobacteria（放线菌门） 在核心微生物组中显著富集（Fisher精确检验，P<0.05）。图中灰色条标记了那些具有显著遗传力（heritability） 的核心OTU，表明它们受宿主遗传调控。

（12）Heritability of rhizosphere microbial features in eggplant茄子根际微生物特征的遗传力

茄子宿主遗传能够显著影响根际微生物组，并通过全基因组关联分析（GWAS）定位到了具体的调控位点。

1. 先证明“能影响”：图 a 和 图 b（遗传力分析）在定位具体基因之前，首先需要证明“根际微生物组成差异确实是由宿主遗传决定的，而不是随机因素”。

图 a：微生物特征的遗传力，这是一张柱状图，展示了Shannon指数、PCoA1、PCoA2，以及部分核心微生物OTU的遗传力估算结果。蓝色代表具有显著遗传力的特征（似然比检验 P<0.05）。结果显示，遗传力范围在0.09到0.39之间。结论：根际微生物的部分特征是可遗传的，即受宿主基因控制。

图 b：遗传力随微生物普遍性的分布，这张散点图展示了所有OTU的遗传力（h²）与其在样本中出现频率（流行率）的关系。关键发现：流行率越高的微生物（被更多植物共享），其遗传力也越高（虚线趋势向上）。结论：核心微生物（普遍存在的）相比稀有微生物，受到更强的宿主遗传控制。

2. 再定位“谁在控制”：图 c（曼哈顿图）证明了存在遗传控制后，下一步就是找出具体是基因组的哪个区域在起作用。图 c：全基因组关联分析曼哈顿图，横轴是茄子的12条染色体，纵轴是SNP位点与微生物关联的显著性（-log10(P值)）。每个点代表一个SNP与一个核心OTU关联的结果。图中两条水平线是显著性阈值，超越线的点就是显著关联位点。结果：在10号染色体和5号染色体上发现了显著的关联峰（图中用菱形标记），成功定位到了控制微生物丰度的候选基因区域。

3. 最后“验证”影响：图 d 和 图 e（局部关联与基因型效应）。找到显著位点后，最后需要验证这些位点上的不同“版本”（等位基因）是否真的会导致微生物丰度的变化。

图 d：局部关联图，这是对图c中10号染色体上显著峰的“特写放大”。横轴是基因组位置，纵轴是关联显著性。它清晰地展示了在chr10:7799021这个位置，存在一个与OTU81（寡养单胞菌）和OTU103（WPS-2）都非常显著的关联峰。这验证了该位点的可靠性。

图 e：基因型效应分析，这是功能验证的关键一步。横轴是SNP chr10:7799021的三种不同基因型（A/A, A/G, G/G）；纵轴是OTU81（寡养单胞菌）的丰度。关键发现：携带不同基因型的植物，其根际寡养单胞菌的丰度存在极显著差异。例如，携带G/G基因型的植物，该菌丰度明显更高。结论：这个位于MYB113基因附近的SNP，确实功能性地影响着特定有益菌在根际的丰度。

（13）GWAS identified genetic variants associated with eggplant core microbiome全基因组关联分析鉴定出与茄子核心微生物组相关的遗传变异

（14）Microbial community structure varies with different allelic combinations微生物群落结构随不同等位基因组合而变化

控制微生物群落整体结构的遗传位点在不同茄子群体中的分布及其进化意义。

图 a：以PCoA2为表型的曼哈顿图。作者没有只分析单个微生物（如图3），而是将代表微生物群落整体结构的PCoA2（主坐标轴2）作为“表型”，进行全基因组关联分析（GWAS）。结果：在4号、7号、10号和11号染色体上，都检测到了显著的关联位点（图中菱形标记）。候选基因：在10号染色体的显著峰附近，作者标注了两个候选基因：EXPA3（扩张蛋白）：参与细胞壁 loosening，调控根系发育。MYB113：与图3中发现的基因相同，调控次生代谢（如花青素合成）。结论：植物可能通过调控根系结构（EXPA3） 和根系分泌物成分（MYB113），来塑造整个根际微生物群落的整体结构。

图 b：10号染色体上的核苷酸多样性分布。展示了四个亚群（POP1-POP4）在10号染色体上的遗传多样性（π值）。π值低的区域，说明经历了选择性清除（选择性扫荡）——即某个有益突变在群体中快速固定，导致该区域遗传多样性下降。关键点：图中两条垂直虚线标记了图a中两个显著SNP的位置（chr10:7782276和chr10:20114888）。发现：这两个显著SNP位点，恰好位于POP2（欧洲）、POP3（华南）、POP4（北亚）群体多样性极低的区域（波谷），而POP1（东南亚，茄子起源地）的多样性相对较高。结论：这两个与微生物群落结构相关的遗传位点，在茄子从东南亚传播到欧洲和中国的过程中，经历了强烈的自然选择或人工选择。

图 c：不同群体中等位基因组合的频率分布。分析了图a中10号染色体上两个显著SNP的“等位基因组合”（两个位点的DNA字母组合）在四个亚群中的分布频率。R = 参考等位基因，H = 杂合状态，A = 替代等位基因。结果：不同亚群的等位基因组合频率差异巨大：POP2（欧洲）：以HR型为主（74.29%）。POP3（华南） 和 POP4（北亚）：以RR型（参考等位基因纯合）占绝对主导（约80-86%）。POP1（东南亚）：RR和HA型各占约40%。结论：这两个关键SNP的等位基因组合，呈现极强的群体特异性分布模式，进一步证明了它们在不同地理群体中受到了选择。

图 d：等位基因组合与微生物群落结构的关系，采用约束性主坐标分析（CAP），一种类似于PCA但可以检验分组变量显著性的排序方法。图中比较了两种不同等位基因组合（RR和HR）的植物，它们的根际微生物群落结构是否存在差异。结果：RR和HR两种基因型的植物，其根际微生物群落结构在CAP图上明显分离。这两个SNP位点的不同等位基因组合，不仅在地理群体中分布不同，而且功能性地区分了植物的根际微生物群落结构。基因型不同，召集的微生物群落就不同。

http://www.microbiomeai.cn/plot-tools/

微生物组全基因组关联分析鉴定出1,235个与46个核心微生物类群相关的显著遗传变异，揭示了关键的调控位点，包括MYB113基因附近的chr10:7799021（与寡养单胞菌属相关，P = 2.16 × 10⁻¹⁵）和BLH9基因附近的chr10:19786889（与分枝杆菌属相关，P = 1.24 × 10⁻¹²），以及一个对根瘤菌目具有特异性调控作用的5号染色体位点。